전압 증배기

전압 증배기(voltage multiplier) 또는 전압체 배기는 교류 전력을 낮은 전압에서 높은 직류 전압으로 변환하는 전기 회로로, 일반적으로 축전기와 다이오드 네트워크를 사용한다.

입력 전압 U_s의 4배를 생성하는 빌라드 캐스케이드 전압 증배기

전압 증배기는 전자 기기용으로 몇 볼트를 생성하는 것부터 고에너지 물리학 실험 및 번개 안전 테스트와 같은 목적을 위해 수백만 볼트를 생성하는 데 사용될 수 있다. 가장 일반적인 유형의 전압 증배기는 반파 직렬 증폭기로, 빌라드 캐스케이드(실제로는 하인리히 그라이나허가 발명)라고도 불린다.

작동

AC 소스의 피크 전압이 +U_s이고, C 값이 충분히 높아 충전 시 전압에 큰 변화 없이 전류가 흐를 수 있다고 가정하면, 캐스케이드의 (단순화된) 작동은 다음과 같다.

설명된 작동에 대한 그림, +U_s = 100 V

1. 양의 피크(+U_s)에서 음의 피크(−U_s)로 이동: C₁ 축전기는 다이오드 D₁을 통해 U_s V로 충전된다 (축전기 왼쪽 및 오른쪽 플레이트 간의 전위차는 U_s).
2. 음의 피크에서 양의 피크로 이동: C₁의 전압이 소스의 전압과 합쳐져, D₂를 통해 C₂를 2U_s로 충전하고 이 과정에서 C₁을 방전시킨다.
3. 양의 피크에서 음의 피크로 이동: C₁의 전압은 이전 단계가 끝날 때 0 V로 떨어졌으므로, C₃가 D₃를 통해 2U_s로 충전될 수 있다.
4. 음의 피크에서 양의 피크로 이동: C₂의 전압이 2U_s로 상승하고 (2단계와 유사하게), C₄도 2U_s로 충전된다. 출력 전압(C₂와 C₄의 전압 합)은 4U_s에 도달할 때까지 상승한다.

추가 단계를 추가하면 출력 전압이 AC 소스 피크 전압의 두 배만큼 증가한다(다이오드로 인한 손실 제외 – 다음 단락 참조).

실제로 C₄가 완전한 전압에 도달하려면 더 많은 주기가 필요하며, 각 축전기의 전압은 해당 축전기로 가는 경로에 있는 각 다이오드의 순방향 전압 강하 (U_f)만큼 낮아진다. 예를 들어, 예시에서 C₄의 전압은 양극 단자와 소스 사이에 4개의 다이오드가 있기 때문에 최대 2U_s - 4U_f가 된다. 총 출력 전압은 U(C₂) + U(C₄) = (2U_s - 2U_f) + (2U_s - 4U_f) = 4U_s - 6U_f가 된다. 2개의 다이오드와 2개의 축전기로 구성된 n 단계의 캐스케이드에서 출력 전압은 2n U_s - n(n+1) U_f와 같다. n(n+1) U_f 항은 출력측(예시에서는 오른쪽 – C₂ 및 C₄)의 모든 축전기에 걸쳐 다이오드로 인한 전압 손실의 합을 나타낸다. 예를 들어 예시와 같이 2단계가 있는 경우 총 손실은 2+4 = 2*(2+1) = 6배의 U_f이다. 추가 단계는 소스 전압의 두 배에서 2n+2 다이오드의 순방향 전압 강하를 뺀 만큼 출력 전압을 증가시킨다: 2U_s - (2n+2)U_f.

전압 배가기 및 삼배기

 전압 배가기 문서를 참고하십시오.

콕크로프트-월튼 전압 4배기 회로. AC 입력 전압 V_i의 피크 값의 4배인 DC 출력 전압 V_o를 생성한다.

전압 배가기는 2단계를 사용하여 단일 단계 정류기에서 얻었을 DC 전압을 약 2배로 늘린다. 전압 배가기의 한 예는 120V 또는 240V 전원을 선택하기 위한 SPDT 스위치를 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치의 입력 단계에서 찾을 수 있다. 120V 위치에서 입력은 일반적으로 브리지 정류기의 한 AC 연결 지점을 열고 입력을 두 개의 직렬 연결된 필터 축전기의 접합부에 연결하여 전파 전압 배가기로 구성된다. 240V 작동을 위해 스위치는 시스템을 전파 브리지로 구성하고, 축전기 중앙 탭 와이어를 브리지 정류기 시스템의 열린 AC 단자에 다시 연결한다. 이를 통해 간단한 SPDT 스위치를 추가하여 120V 또는 240V 작동이 가능하다.

전압 삼배기는 3단계 전압 증배기이다. 삼배기는 인기 있는 전압 증배기 유형이다. 삼배기의 출력 전압은 실제로는 입력 피크 전압의 3배 미만인데, 이는 각 축전기가 다음 축전기에 전력을 공급할 때 부분적으로 방전되어 전압을 손실하기 때문에 발생하는 높은 온저항 때문이다.

삼배기는 컬러 텔레비전 수신기에 음극선관(CRT, 브라운관)에 고전압을 공급하는 데 일반적으로 사용되었다.

삼배기는 복사기, 레이저 프린터, 전기 포충기 및 전기충격기와 같은 고전압 전원 공급 장치에 여전히 사용된다.

항복 전압

증폭기는 수천 볼트의 출력을 생성하는 데 사용될 수 있지만, 개별 구성 요소는 전체 전압 범위에 견딜 수 있도록 정격될 필요는 없다. 각 구성 요소는 자체 단자와 바로 인접한 구성 요소에 걸친 상대적인 전압 차이만 고려하면 된다.

일반적으로 전압 증배기는 사다리처럼 물리적으로 배치되어, 점진적으로 증가하는 전압 전위가 회로의 훨씬 낮은 전위 부분으로 아크를 발생시킬 기회를 제공하지 않는다.

증폭기 내에서 상대적인 전압 차이 범위에 걸쳐 어느 정도의 안전 여유가 필요하다는 점에 유의해야 한다. 그래야 사다리가 최소한 하나의 다이오드 또는 축전기 구성 요소의 단락 고장에도 견딜 수 있다. 그렇지 않으면 단일 지점 단락 고장이 증폭기 내의 각 다음 구성 요소를 연속적으로 과전압시키고 파괴하여 잠재적으로 전체 증폭기 체인을 파괴할 수 있다.

기타 회로 토폴로지

단일 센터탭 변압기로 구동되는 두 개의 캐스케이드. 이 구성은 전파 정류를 제공하여 리플을 줄이고 아크 발생 시 축전 용량 에너지가 상쇄될 수 있다.

적층

고전압 절연된 두 번째 보조 권선으로 구동되는 첫 번째 캐스케이드 위에 적층된 두 번째 캐스케이드. 두 번째 권선은 180° 위상 편이로 연결되어 전파 정류를 얻는다. 두 권선은 그들 사이의 큰 전압에 대해 절연되어야 한다.

두 개의 캐스케이드를 동시에 구동하는 변압기의 단일 보조 권선. 두 캐스케이드를 적층하면 동일한 전압의 단일 긴 캐스케이드보다 더 나은 리플 및 축전기 충전 특성으로 두 배의 전압 출력을 제공한다.

어떤 열에서도 다이오드-축전기 셀의 짝수 개를 사용하여 캐스케이드가 스무딩 셀에서 끝나도록 한다. 홀수이고 클램핑 셀에서 끝나면 리플 전압이 매우 커질 것이다. 연결 열의 더 큰 축전기는 또한 리플을 줄이지만, 충전 시간과 다이오드 전류 증가를 희생한다.

딕슨 전하 펌프

표준 딕슨 전하 펌프 (4단계 : 5배 증폭기)

딕슨 전하 펌프 또는 딕슨 증폭기는 그라이나허/콕크로프트-월튼 증폭기의 변형이다. 그러나 몇 가지 중요한 차이점이 있다.

• 딕슨 증폭기는 직류 공급을 입력으로 받으므로 디시디시컨버터의 한 형태이다. 직류 입력 외에도 회로는 직류 공급 레일 사이에서 진동하는 진폭을 가진 두 개의 클록 펄스 열을 필요로 한다. 이 펄스 열은 역위상이다.^[1]
• 딕슨 증폭기는 그라이나허/콕크로프트-월튼과 달리 일반적으로 고전압 응용 분야에 사용되는 것과는 대조적으로 저전압 응용 분야를 위한 것이다. 이는 최종 축전기가 전체 출력 전압을 유지해야 하는 반면, 그라이나허/콕크로프트-월튼 증폭기에서는 각 축전기가 입력 전압의 최대 두 배를 유지하기 때문이다(따라서 10배 이상의 곱셈을 쉽게 허용한다).

회로의 이상적인 작동을 설명하기 위해 다이오드 D1, D2 등을 왼쪽에서 오른쪽으로, 축전기 C1, C2 등을 번호 매긴다. 클록 ${\displaystyle \phi _{1}}$이 낮을 때 D1은 C1을 V_in으로 충전한다. ${\displaystyle \phi _{1}}$이 높아지면 C1의 상단 플레이트는 2V_in으로 밀려 올라간다. 그런 다음 D1은 꺼지고 D2는 켜지며 C2는 2V_in으로 충전되기 시작한다. 다음 클록 주기에서 ${\displaystyle \phi _{1}}$은 다시 낮아지고 이제 ${\displaystyle \phi _{2}}$는 높아져 C2의 상단 플레이트를 3V_in으로 밀어 올린다. D2는 꺼지고 D3는 켜지며 C3를 3V_in으로 충전하는 등 전하가 체인을 따라 이동한다. 따라서 전하 펌프라는 이름이 붙었다. 캐스케이드의 마지막 다이오드-축전기 셀은 클록 위상 대신 접지에 연결되어 증폭기가 아니다. 그것은 단지 스무딩을 제공하는 피크 검출기이다.^[2]

nV_in이라는 이상적인 경우에서 출력을 감소시키는 여러 요인이 있다. 그중 하나는 스위칭 장치의 문턱 전압, V_T, 즉 장치를 켜는 데 필요한 전압이다. 스위치를 가로지르는 전압 강하로 인해 출력은 최소 nV_T만큼 감소할 것이다. 쇼트키 다이오드는 낮은 순방향 전압 강하 등의 이유로 딕슨 증폭기에서 일반적으로 사용된다. 또 다른 어려움은 각 노드에 접지에 대한 기생 용량이 있다는 것이다. 이러한 기생 용량은 회로의 저장 축전기와 함께 전압 분배기 역할을 하여 출력 전압을 더욱 감소시킨다.^[3] 어느 정도까지는 더 높은 클록 주파수가 유리하다. 리플이 감소하고 높은 주파수로 인해 나머지 리플을 필터링하기가 더 쉽다. 또한 사이클당 저장해야 하는 전하량이 줄어들기 때문에 필요한 축전기 크기도 줄어든다. 그러나 부유 용량을 통한 손실은 클록 주파수가 증가함에 따라 증가하며 실질적인 한계는 수백 킬로헤르츠 정도이다.^[4]

다이오드-배선된 MOSFET을 사용하는 딕슨 전하 펌프 (4단계 : 5배 증폭기)

딕슨 증폭기의 다이오드-배선된 MOSFET 버전은 MOSFET의 큰 드레인-소스 전압 강하 때문에 매우 낮은 전압에서는 잘 작동하지 않는다. 종종 이 문제를 극복하기 위해 더 복잡한 회로가 사용된다. 한 가지 해결책은 스위칭 MOSFET과 병렬로 선형 영역으로 바이어스된 다른 MOSFET을 연결하는 것이다. 이 두 번째 MOSFET은 스위칭 MOSFET 자체보다 드레인-소스 전압이 낮고(스위칭 MOSFET이 강하게 켜지기 때문에) 결과적으로 출력 전압이 증가한다. 선형 바이어스 MOSFET의 게이트는 다음 단계의 출력에 연결되어 다음 단계가 이전 단계의 축전기에서 충전되는 동안 꺼진다. 즉, 선형 바이어스 트랜지스터는 스위칭 트랜지스터와 동시에 꺼진다.^[5]

1.5 V 입력을 가진 이상적인 4단계 딕슨 증폭기(5배 증폭기)는 7.5 V의 출력을 가질 것이다. 그러나 다이오드-배선된 MOSFET 4단계 증폭기는 2 V 정도의 출력만 가질 수 있다. 선형 영역에 병렬 MOSFET을 추가하면 약 4 V로 향상된다. 더 복잡한 회로는 이상적인 경우에 훨씬 더 가까운 출력을 얻을 수 있다.^[6]

기본 딕슨 회로에는 다른 여러 변형 및 개선 사항이 존재한다. 일부는 Mandal-Sarpeshkar 증폭기^[7] 또는 Wu 증폭기^[8]와 같이 스위칭 문턱 전압을 줄이려고 시도한다. 다른 회로들은 문턱 전압을 상쇄한다. Umeda 증폭기는 외부에서 제공되는 전압으로 이를 수행하고^[9] Nakamoto 증폭기는 내부에서 생성된 전압으로 이를 수행한다.^[10] Bergeret 증폭기는 전력 효율을 극대화하는 데 중점을 둔다.^[11]

RF 전력용 수정

수정된 딕슨 전하 펌프 (2단계 : 3배 증폭기)

CMOS 집적 회로에서는 클록 신호를 쉽게 사용할 수 있거나 쉽게 생성할 수 있다. RF 집적 회로에서는 항상 그렇지는 않지만, 종종 RF 전력원이 사용 가능하다. 표준 딕슨 증폭기 회로는 일반 입력과 클록 입력 중 하나를 접지하여 이 요구 사항을 충족하도록 수정할 수 있다. RF 전력은 다른 클록 입력으로 주입되며, 이는 회로 입력이 된다. RF 신호는 사실상 클록이자 전력원이다. 그러나 클록이 격노드에만 주입되기 때문에 회로는 두 번째 다이오드-축전기 셀마다 한 단계의 곱셈만 달성한다. 다른 다이오드-축전기 셀은 단순히 피크 검출기 역할을 하며 곱셈을 증가시키지 않고 리플을 평활화한다.^[12]

교차 결합 스위치드 축전기

교차 결합 MOSFET 전압 배가기의 캐스케이드 (3단계 : 4배 증폭기)

전압 증배기는 교차 결합 스위치드 축전기 유형의 전압 배가기 캐스케이드로 구성될 수 있다. 이 유형의 회로는 일반적으로 소스 전압이 1.2 V 이하일 때 딕슨 증폭기 대신 사용된다. 딕슨 증폭기는 입력 전압이 감소함에 따라 다이오드-배선 트랜지스터에 걸리는 전압 강하가 출력 전압에 비해 훨씬 더 중요해지기 때문에 전력 변환 효율이 점점 더 나빠진다. 교차 결합 회로의 트랜지스터는 다이오드-배선되지 않으므로 전압 강하 문제는 그리 심각하지 않다.^[13]

이 회로는 각 단계의 출력을 ${\displaystyle \phi _{1}}$에 의해 구동되는 전압 배가기와 ${\displaystyle \phi _{2}}$에 의해 구동되는 전압 배가기 사이에서 번갈아 가며 전환하여 작동한다. 이러한 동작은 딕슨 증폭기보다 또 다른 이점을 제공한다. 즉, 두 배 주파수에서 리플 전압이 감소한다. 리플 주파수 증가는 필터링으로 제거하기가 더 쉽기 때문에 유리하다. 각 단계(이상적인 회로에서)는 출력 전압을 피크 클록 전압만큼 높인다. 이것이 DC 입력 전압과 동일한 수준이라고 가정하면 n단계 증폭기는 (이상적으로) nV_in을 출력할 것이다. 교차 결합 회로에서 손실의 주요 원인은 스위칭 문턱 전압이 아니라 기생 용량이다. 손실은 각 주기마다 기생 용량을 충전하는 데 에너지가 일부 소모되어 발생한다.^[14]

응용

TV 캐스케이드(녹색) 및 플라이백 변압기(파란색).

TV의 음극선관(CRT)용 고전압 전원 공급 장치는 종종 CRT 자체의 내부 및 외부 아쿠아다그 코팅으로 형성된 최종 단계 평활화 축전기를 갖춘 전압 증배기를 사용한다. CRT는 한때 텔레비전 세트의 일반적인 구성 요소였다. 전압 증배기는 현대 TV, 복사기 및 전기 포충기에서도 여전히 발견될 수 있다.^[15]

고전압 증배기는 스프레이 페인팅 장비, 가장 일반적으로 자동차 제조 시설에서 사용된다. 약 100kV의 출력을 가진 전압 증배기가 페인트 분무기의 노즐에 사용되어 분무된 페인트 입자를 전기적으로 충전시킨 다음 반대 전하를 띤 금속 표면에 끌어당겨 페인트칠한다. 이는 사용되는 페인트 양을 줄이고 균일한 페인트 코트를 퍼뜨리는 데 도움이 된다.

고에너지 물리학에서 사용되는 일반적인 유형의 전압 증배기는 콕크로프트-월튼 발전기이다(이것은 존 더글러스 콕크로프트와 어니스트 토머스 신턴 월튼이 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 한 연구에 사용될 입자 가속기용으로 설계했다).

같이 보기

• 마르크스 발전기 (다이오드 대신 불꽃 방전을 스위칭 요소로 사용하며 다이오드보다 더 높은 피크 전류를 공급할 수 있는 장치).
• 부스트 컨버터 (종종 인덕터를 사용하여 전압을 높이는 직류-직류 전력 변환기)